TJFljc78em

На правах рукописи

Игнатьев Федор Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДОВ УПЛОТНЕНИЯ ДАЛЬННОМЕРНЫХ СИГНАЛОВ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СП УТНИКОВЫХ СИСТЕМ

Спец иальность: 05.12.14 – Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссерт ации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2014

Работа выполнена в фед еральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический универси тет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)», на кафедре радиотехнических систем

Научный руководитель: докто р технических наук, профессор Ипатов Валерий Павлович

Официальные оппоненты:

Макаров Сергей Борисович, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный политехн ический университет, директор И нститута физики, нанотехнологий и телекоммун икаций (г. Санкт-Петербург)

Коротков Александр Николаев ич, кандидат технических наук, ЗАО «Ко нструкторское бюро навигационных систем» (ЗАО «КБ НАВИС»), заместитель начальника отдела разработки базовых модулей (г. Санкт-Пет ербург)

Ведущая организация: ОАО «Ордена Трудового Красного Знамени Всероссийский научноисследовательский институт ра диоаппаратуры» (ОАО «ВНИИРА»), г. Санкт-Петербург

Защита состоится «17» декаб ря 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.03 в Санкт-Петерб ургском государственном электротехнич еском университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Л енина) по адресу: 197376, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д.5.

С диссертацией можно озн акомиться в библиотеке СПбГЭТУ « ЛЭТИ» и на сайте www.eltech.ru.

Автореферат разослан «14» ок тября 2014 г.

3

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Более чем за тридцать лет активного использования СРНС зарекомендовали себя как надежные высокоточные средства позиционирования, обеспечивающие глобальное покрытие. За это время существенно расширилась сфера практического применения систем. Заложенные на этапе проектирования радиоинтерфейсы перестали в полной мере удовлетворять требованиям к точности местоопределения со стороны различных классов пользователей. В связи с этим в настоящее время реализуются программы по модернизации действующих СРНС ГЛОНАСС и GPS, ключевой целью которых является улучшение тактико-технических характеристик названных систем.

В ходе модернизации радиоинтерфейсов СРНС предусмотрено в частности ввести в

эксплуатацию дополнительные сигналы как в традиционных, так и в новых частотных диапазонах. Так, в 2005 г. на орбиту был выведен первый спутник GPS серии BlockIIR-M, излучающий гражданские сигналы в частотных диапазонах L2 и L5. Для системы ГЛОНАСС новым станет сигнал на несущей L3 (~1201 МГц). Также в настоящее время обсуждается вопрос освоения СРНС ГЛОНАСС диапазона L5. Кроме того стремление к большей взаимодополняемости действующих навигационных систем выдвинуло на повестку дня идею излучения космическими аппаратами (КА) ГЛОНАСС сигналов на частоте L1 GPS.

Таким образом, общее число сигналов, излучаемых КА, увеличится. При этом с целью снижения нагрузки на КА и устранения осложнений, сопутствующих пространственному разнесению фазовых центров передающих антенн, естественным является стремление совместить сигналы смежных частотных диапазонов в едином стволе, работающем на общую антенну. В частотности, речь идет о совмещении несущих L1 ГЛОНАСС и L1 GPS, а также L3 ГЛОНАСС и L5 GPS. Дополнительные трудности на этом пути создает традиционное требование, предъявляемое к навигационным сигналам – постоянство мгновенной мощности комплексной огибающей.

Контроль над СРНС GPS со стороны министерства обороны США послужил стимулом к созданию собственных навигационных систем космического базирования Европейским сообществом (Galileo) и Китайской Народной Республикой (Compass/Beidou). Дизайнеры обеих систем столкнулись с необходимостью поиска решения задачи мультиплексирования сигналов смежных частотных диапазонов. Так, разработчики европейской системы Galileo для объединения сигналов двух независимых поднесущих, Е5а и Е5b, избрали AltBOC модуляцию, относящуюся к числу нелинейных методов объединения. Тем же путем пошли разработчики китайской системы Compass. Однако, данное решение нельзя считать бесспорным в силу существования привлекательных альтернатив.

Таким образом, уместно говорить о существовании предмета для серьезной аналитической работы – исследования задачи мультиплексирования сигналов смежных частотных диапазонов в едином стволе, работающем на общую передающую антенну.

Цели и задачи работы. Целью настоящей работы является выработка предложений и рекомендаций в части решения задачи объединения в едином стволе сигналов смежных частотных диапазонов в радиоинтерфейсах СРНС ГЛОНАСС следующего поколения. Для

4

достижения поставленной цели в диссертационной работе требовалось решить следующие задачи:

1.Детально проанализировать продвигаемый европейским сообществом формат модуляции AltBOC с точки зрения энергетической и спектральной эффективности.

2.Синтезировать аналог алгоритма мультиплексирования AltBOC для случая неравновесного объединения компонент.

3.Исследовать альтернативные алгоритмы объединения квадратурных пар, свободные от амплитудной модуляции и энергетических потерь.

4.Разработать спектрально-эффективные форматы совмещения сигналов смежных частотных диапазонов и оценить выигрыш в компактности спектра относительно AltBOC модуляции. Выявить достоинства и издержки, сопутствующие применению модуляции с непрерывной фазой.

5.Сформулировать рекомендации по объединению сигналов смежных частотных диапазонов в радиоинтерфейсах нового поколения ГНСС ГЛОНАСС.

Научная новизна работы. В диссертации проведен подробный анализ как существующих, так и предложенных методов объединения навигационных сигналов двух независимых несущих. Новыми являются следующие результаты:

1.В общем виде решена задача нелинейного неравновесного мультиплексирования сигналов смежных частотных диапазонов. Получены аналитические выражения для расчета энергетических потерь, отношения мощностей сильной и слабой компонент, а также отношения мощности комбинационного члена к мощности слабой полезной компоненты.

2.Показано, что на передающей стороне AltBOC сигнал может быть сформирован с использованием гармонических поднесущих. При этом для устранения АМ комплексной огибающей можно применить операцию жесткого амплитудного ограничения. В рамках такого сценария отпадает необходимость синтеза как цифровых поднесущих AltBOC, так и выравнивающих (компенсирующих) компонент.

3. Предложен способ объединения сигналов двух поднесущих в спектральноэффективном формате модуляции, значительно превосходящий AltBOC модуляцию с точки зрения компактности спектра и пригодный к применению в ситуациях, когда уплотняемые пары могут использовать общую пилотную компоненту.

4.Установлено, что эффективным способом свободного от АМ мультиплексирования квадратурных пар (на общей либо разных поднесущих) является временное уплотнение, не сопровождающееся – в противовес AltBOC – энергетическими потерями и «загрязнением» эфира и сохраняющее неизменными основные тактические параметры сигнала (зона поиска по времени и частоте, глубина

подавления помех множественного доступа и др.).

Все выводы и рекомендации работы подкреплены корректными аналитическими выкладками и численным расчетом.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы теории сигналов, теории вероятности и математической статистики, численные методы и методы математического моделирования.

5

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретический интерес представляют предпринятые в работе попытки распространить идеи спектральноэффективной модуляции на случай объединения сигналов смежных частотных диапазонов. Практическим выходом диссертации являются систематизация знаний, относящихся к решаемой проблеме, и выработанные на ее основе рекомендации к решению поставленной задачи в радиоинтерфейсах СРНС ГЛОНАСС следующих поколений.

Положения, выносимые на защиту:

1.Веса полезных компонент, а также их комбинационных продуктов, входящих в состав сигнала на выходе нелинейного устройства могут быть найдены с использованием аддитивного разложения в базисе Уолша.

2.При равновесном объединении сигналов в рамках AltBOC модуляции независимо от закона изменения мгновенной фазы поднесущих оптимальной опорой компонентных приемников является цифровая поднесущая AltBOC.

3.При нелинейном мультиплексировании сигналов с произвольным (отличным от единицы) соотношением интенсивностей синфазной и квадратурной компонент требования минимизации энергетических потерь и максимизации мощности слабой полезной компоненты не могут быть выполнены одновременно. Более того, требование минимизации энергетических потерь лишено практического смысла, так как минимизация последних сопровождается глубоким подавлением слабой полезной компоненты.

4.Применение спектрально-эффективных форматов модуляции в задачах совмещения в едином стволе пары комплексных бинарных сигналов смежных частотных диапазонов не представляется возможным при допущении независимости всех четырех объединяемых компонент.

5.На этапе проектирования радиоинтерфейсов СРНС оптимальным инструментом совмещения сигналов двух несущих является временное уплотнение.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 9 статей, из них 7 в

рецензируемых научных журналах, рекомендованных перечнем ВАК; 1 статья в прочих рецензируемых журналах, 1 статья в сборнике докладов всероссийской научно-технической конференции.

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи, показана научная новизна, а также практическая и теоретическая ценность полученных результатов.

В первой главе рассмотрены предпосылки зарождения спутниковой навигации, проведен обзор современного состояния действующих СРНС и направлений их дальнейшего развития. В главе приводится краткая справка о принципах построения и функционирования СРНС.

Разработанные в 70-х годах прошлого века радиоинтерфейсы СРНС второго поколения в настоящее время признаны нуждающимися в модернизации. Более чем за 30 лет успешной эксплуатации действующих СРНС GPS и ГЛОНАСС сфера практического

6

применения спутниковых навигационных систем значительно расширилась, появились новые классы пользователей, предъявляющие зачастую противоречивые требования к навигационным сигналам. Следствием назревшей необходимости в проведении модернизации, а также стремления удовлетворить потребности широкого круга потребителей стало появление новых радиоинтерфейсов, отличающихся улучшенными потенциальными характеристиками сигналов КА. По экономическим соображениям переход от старых сигналов к новым будет выполнен за несколько этапов. Для системы GPS соответствующий проект перешел в практическую фазу в 2005 г. после запуска первого КА ряда BlockIIR-M, излучающего новый гражданский сигнал в «нижнем» частотном диапазоне, а также новый сигнал военного назначения в обоих традиционных диапазонах L1 и L2. Следующим шагом в том же направлении явился запуск в 2010 г. спутника серии BlockIIF, номенклатура сигналов которого была далее расширена за счет добавления гражданского сигнала нового аэронавигационного диапазона L5. Хотя насущность аналогичных мероприятий в отношении ГНСС ГЛОНАСС сомнению не подвергалась, их старт пришлось задержать на несколько лет в связи с общим кризисом системы в начале века. Тем не менее, к настоящему моменту общая концепция совершенствования сигналов ГЛОНАСС на ближайшее десятилетие принята и одним из ее основных тезисов является преемственное замещение частотного разделения сигналов КА кодовым.

Наряду с этим в последние годы оживленно дискутируется возможность определенной конвергенции систем ГЛОНАСС и GPS, в рамках которой в дополнение к сигналам «своих» диапазонов (1592,9-1610 МГц) КА ГЛОНАСС будут излучать также и сигналы на частотах L1 и L5 GPS. Если на каждой из несущих излучается пара дальномерных кодов (например, информационный и пилотсигналы), общее их число становится равным четырем. Понятно, что с целью снижения нагрузки на КА было бы желательно использовать для излучения всех четырех кодов общий передающий тракт. При этом для оптимизации энергоэффективности передатчика групповой сигнал, объединяющий все передаваемые компоненты, должен быть свободен от амплитудной модуляции. При линейном уплотнении пары двоичных компонент это требование удовлетворяется без труда объединением их в квадратуре. С другой стороны, при линейном сложении четырех двоичных составляющих амплитудная модуляция суммарного сигнала неизбежна.

Имеется два возможных сценария решения названной проблемы. Первый из них связан с привлечением нелинейных методов уплотнения, состоящих в жестком ограничении амплитуды суммарного сигнала. Второй состоит в привлечении временного разделения. Оба способа сопряжены с определенными издержками, поэтому решение о предпочтении одного из них должно опираться на детальный анализ конкретной задачи.

Во второй главе рассмотрены нелинейные методы уплотнения, в общем случае неравновесного, сигналов смежных частотных диапазонов. Получены аналитические соотношения для расчета энергетических потерь. Решена задача оптимального приема компонентных сигналов после амплитудного ограничения. Проанализирована целесообразность применения AltBOC модуляции. Предложен технологически более эффективный способ формирования результирующего сигнала на передающей стороне при использовании AltBOC.

7

При квадратурном сложении двух бинарных сигналов суммарный сигнал имеет модуляцию ФМ-4 (QPSK), т.е. постоянную амплитуду. Линейное объединение, не обязательно равновесное, большего числа бинарных сигналов неизбежно приводит к амплитудной модуляции, крайне нежелательной с точки зрения энергосбережения в оконечном усилителе передатчика. В системе Galileo для устранения амплитудной модуляции в результирующем четырехкомпонентном сигнале E5 к сумме сигналов прибавляется специальная компенсирующая компонента, формируемая как взвешенная сумма произведений объединяемых бинарных компонент. Подобная операция полностью эквивалентна амплитудному ограничению комплексной огибающей суммы сигналов.

Пусть линейное объединение четырех бинарных последовательностей, текущие символы которых обозначены как a,b,c,d соответственно, в результирующую комплексную огибающую происходит по правилу

амплитудный множитель, учитывающий неравновесность уплотняемых компонент. Амплитудное ограничение комплексной огибающей (1) преобразует ее к форме

Модель (1), (2) охватывает, в частности, следующие практически интересные случаи:

1.Уплотнение сигналов без разнесения их на поднесущие, (t) const;

2.Уплотнение на двух симметричных гармонических поднесущих, удаленных от несущей на F Гц, (t) 2 Ft ;

3.Уплотнение на цифровых поднесущих.

Нелинейность операции нормировки в (2) ведет к образованию комбинационных составляющих в виде произведения кодовых последовательностей, отнимающих на себя часть полной мощности сигнала и создающих дополнительные помехи. Их наличие, помимо того, искажает спектр мощности сигнала по сравнению со спектром ФМ составляющих. Для оценки влияния этих эффектов необходимо вычислить корреляцию результирующего сигнала (2) с каждой из присутствующих в нем дальномерных последовательностей, а также со всевозможными их произведениями. Это можно сделать, используя общий подход к анализу комбинационных составляющих при нелинейном объединении фазоманипулированных последовательностей. Считая сигнальные последовательности случайными и независимыми, вес последовательности {a} в колебании (2) рассчитаем как корреляцию

Y (t)a ,

где верхняя горизонтальная черта соответствует статистическому усреднению по случайным символам всех объединяемых последовательностей.

Точно так же для приемника последовательности масштабированной множителем ,

например, последовательности {c} полезный эффект окажется равным

L 1 2 2 2 2

возрастает мощность комбинационного члена по отношению к мощности слабого сигнала,

достигая в пределе 3 дБ. Так, уже при 1.26 (2 дБ) мощность комбинационного члена становится соизмеримой с мощностью слабого сигнала.

При равновесном объединении компонент (значение параметра 1) выражения для

При мультиплексировании компонент с нулевой поднесущей соотношения (3) и (4) не зависят от t и есть готовые действительная и мнимая части искомой корреляции.

Как нетрудно проверить, абсолютное значение последней

9

4

не зависит от углового разноса квадратурных пар сигналов 2 . Поэтому разумно выбрать обращающим мнимую часть корреляции в нуль. На полуинтервале (0, / 4] таким значением оказывается /8, соответствующее симметричному сигнальному созвездию. Разумеется, задача полностью инвариантна к выбору последовательности, с которой считается корреляция группового сигнала (2), поэтому полученное значение сохранится и для остальных трех последовательностей. Это означает, что доля мощности сигнала (2), которая уйдет в бесполезные комбинационные продукты, составит

выравнивающего сигнала к линейной сумме уплотняемых компонент в сигнале E5 Galileo.

В случае мультиплексирования компонент на двух гармонических поднесущих закон изменения мгновенной фазы t примет вид: (t) 2 Ft , где F – расстояние каждой из

поднесущих от несущей. Соотношения (3), (4) теперь являются функциями времени. Для вычисления среднего значения полезного отклика на выходе коррелятора пользовательского приемника необходимо выполнить временное усреднение полученных ранее соотношений

(3), (4). Так как последние периодичны по (t) с периодом / 4 , интегрирование достаточно

осуществить на полуинтервале времени (0,T / 8], где T 1/ F .

энергетическая доля бесполезных комбинационных составляющих группового сигнала (2) возрастает на 4,3%.

В диапазоне E5 Galileo две квадратурные пары сигналов уплотнены на двух поднесущих с кусочно-постоянной аппроксимацией гармонических функций cos 2 Ft и sin 2 Ft . Естественно назвать такой способ уплотнением на цифровых поднесущих, хотя в документах Galileo он фигурирует как модуляция AltBOC. Считая число интервалов постоянства фазы на периоде поднесущей T 1/ F , равным восьми (как в Galileo), аппроксимируем линейно нарастающую фазу (t) 2 Ft . При этом на каждом из участков t /T (i / 8,(i 1) /8], i 0,1,...,7 , из-за постоянства фазы имеет место уплотнение четырех

10

Энергетическая доля бесполезных комбинационных компонент составит те же 14,64%, что и в случае уплотнения без поднесущих. Именно этот вариант и реализован в сигнале E5 Galileo.

Таким образом была проанализирована задача мультиплексирования сигналов смежных частотных диапазонов с произвольными весами. При этом один из сигналов взвешивался амплитудным множителем . Иными словами, синфазная и квадратурная составляющие одного сигнала полагались в 2 раз более мощными по сравнению с соответствующими компонентами другого. Различие мощностей объединяемых сигналов можно объяснить, например, различием в требованиях в части электромагнитной совместимости, выдвигаемых для каждого из диапазонов. На практике, однако, часто в одну из компонент сигнала нередко требуется вложить бóльшую долю мощности, чем в другую. При таком подходе компонента сигнала, свободная от информационной модуляции (пилот– компонента), наделяется большей мощностью по сравнению с компонентой, модулированной навигационным сообщением. Таким образом, идеи AltBOC обобщены и на случай мультиплексирования сигналов с произвольным соотношением интенсивностей синфазной и квадратурной составляющих.

Обозначенному выше сценарию отвечает следующая модель суммарного сигнала

( ) ( )exp[ ( )] ( )exp[ ( )],

S t a j b j t c j d j t

где все обозначения аналогичны введенным ранее.

Для оценки отношения мощностей комбинационного члена и полезного эффекта на выходе приемника слабого сигнала можно воспользоваться соотношением